Промышленные теплоносители: виды, свойства, сферы применения

Промышленные теплоносителей, их свойства, область применения

Основные виды и классификация теплообменных и тепломассообменных аппаратов

Понятия, определения и классификация промышленного оборудования.

О дисциплине

Заключение

Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.

Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.

Задание для самостоятельного обучения:

Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. – 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

Кандидат технических наук,

На изучение курса «Тепло-массообменное оборудование предприятий» в течение шестого семестра отводится 146 часов, из них 48 лекций, 16 часов лабораторных занятий, консультация и экзамен. В седьмом семестре предусмотрен курсовой проект в размере 70 часов. На СРС отводится 12 часов.

В рамках курса будут изучены основные виды промышленных тепло- и массообменных процессов и установок, рассмотрены классификация, типы и конструкции теплообменного оборудования, освоена методика расчета теплообменных аппаратов поверхностного типа, изучено строение, принцип работы и устройство, а также основы процессов протекающих в выпарных, сушильных, перегонных, ректификационных, сорбционных установках. Рассмотрено стандартное и вспомогательное оборудование тепломассообменного оборудования.

Теплообменный аппарат (теплообменник) – устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Перенос теплоты в них может осуществляться конвекцией, кондукцией, лучеиспусканием, при наличии фазовых и химических превращений газообразных, жидких и твердых веществ. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Теплообменный аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементов энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок. Любые преобразования энергии из одного вида в другой, а также передача энергии от одного аппарата либо машины к другому со­провождаются переходом некоторой части всех других видов энергии в тепловую. Поэтому практически во всех машинах и аппара­тах теплообмен имеет важное значение.

На теплообменные аппараты приходится значительная доля капиталовложений в энергетические, коммунально-бытовые и технологические установки. При строительстве тепловых электростанций (если учесть, что паровые котлы также являются теплообменниками) капиталовложения в теплообменные аппараты составляют до 70 % капиталовложений на оборудование станций. На современных нефтеперерабатывающих заводах капиталовложения в теплообменные аппараты достигают 40. 50 %, на газобензино­вых заводах – 40 %.

На теплообменники приходится также значительная доля эксплуатационных расходов энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок. Амортизационные отчисления, расходы на уход, осмотр и ремонт теплоиспользующих аппаратов и установок часто выше, чем для оборудования других категорий.

Теплообменные аппараты, как и другие элементы энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок, работают в условиях переменного режима. Однако эксплуатационные, статические и динамические характеристики теплообменных аппаратов зависят не только от изменения расходных режимов и технологических параметров потоков, но и от таких факторов, как накопление загрязнений, накипи, сажи, смол на стенках труб, появление коррозии и др.

Расчет, проектирование, конструирование и эксплуатация теплоиспользующего оборудования должны производиться с учетом большой сложности происходящих в нем процессов, а также значительного влияния параметров процесса теплообмена на технико-экономические показатели соответствующих установок.

Теплообменные аппараты имеют многообразное назначение. Вместе с тем они должны отвечать определенным общим требованиям, которые являются исходными при проектирова­нии аппаратов. К этим требованиям относятся обеспечение высокой тепловой производительности, заданных технологических условий процесса и высокого качества готового продукта (для промышленных технологических установок). Выполнение каждого из этих требований достигается определенными приемами и методами.

Высокая тепловая производительность теплоиспользующего аппарата определяется многими факторами, в первую очередь, интенсивным теплообменом, высокой теплопроводностью материала, малым заносом поверхностей теплообмена, своевременной продувкой и промывкой внутренних полостей аппарата, поддержанием оптимального режима работы. Экономичность работы аппарата может быть достигнута малыми затратами энергии на прокачивание теплоносителей, минимальным уносом технологи­ческого продукта с продувочными газами и промывочными вода­ми, увеличением межремонтных периодов, максимальной меха­низацией и автоматизацией обслуживания. Заданные технологические условия процесса (температура, давление, химический состав и концентрация среды, время технологической обработки) и высокое качество продукции обеспечиваются выбором оп­тимальных температур теплоносителей, правильным расчетом поверхности теплообмена, подбором надлежащих конструкцион­ных материалов, не вступающих в химическое взаимодействие со средой, выбором наивыгоднейших скоростей теплоносителей, строгой цикличностью или непрерывностью процесса и удобством его регулирования.

Как отмечалось ранее, теплообменниками называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой ра­бочими средами – теплоносителями.

Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: энергетике, химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

Широкое распространение теплообменных аппаратов обусло­вило многообразие их конструктивного оформления.

Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах, могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы, являющиеся комбинацией перечисленных. В процессе теплообмена может участвовать несколько тепло­носителей: теплота от одного из них может передаваться несколь­ким и от нескольких – одному.

Теплообменные аппараты классифицируются следующим образом:

по назначению – подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители, паропреобразователи и т.п.;

принципу действия – рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие теплообменные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделительную стенку. При теплообмене в аппаратах такого типа тепловой поток в каждой точке поверхности разделительной стенки сохраняет постоянное направление.

Температура нагрева теплоносителя составляет 400. 500 °С для конструкций из углеродистой стали и 700. 800°С для конструк­ций из легированных сталей.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. На рис. 1 показан пример рекуперативного теплообменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рис. 1. Простейший рекуперативный теплообменник: I, II – теплоносители

Регенеративными называются такие теплообменные ап­параты, в которых два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева.

Во время соприкосновения с разными теплоносителями поверх­ность нагрева или получает теплоту и аккумулирует ее, а затем отдает, или, наоборот, сначала отдает аккумулированную тепло­ту и охлаждается, а затем нагревается. В разные периоды времени теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) на­правление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева изменяется на противоположное.

В качестве примера на рис. 2 представлена схема регенератив­ного воздухоподогревателя котельного агрегата с медленно враща­ющимся (2. 5 об/мин) ротором – аккумулятором теплоты. Ротор имеет набивку из тонких гофрированных стальных листов (см. рис. 2, б), заключенных в закрытый кожух 3. К кожуху присоединя­ются воздушный и газовый короба. Во время работы теплообмен­ника ротор его вращается, по­этому нагретые элементы набив­ки непрерывно переходят из полости горячего газа в полость холодного воздуха, а охладивши­еся элементы – наоборот.

Рис.2. Регенеративный воздухоподогреватель:

а – общий вид; б – отдельные пластины различной формы; в – секция с пласти­нами; 1 – газовые патрубки; 2, 5 – радиальное и периферийное уплотнения; 3 – неподвижный наружный кожух; 4 -набивка; 6 – вал ротора; 7 – верхний и нижний подшипники; 8 – воздушные патрубки; 9 – электродвигатель

Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 3). Такое устройство, называемое тепловой трубой, способно пере­давать большие тепловые мощности.

Рис. 3. Схема работы тепловой тру­бы с возвратом конденсата

под дей­ствием гравитационных сил

На горячем конце тепловой трубы за счет подвода теплоты испаряется жидкость, а на холодном – конденсируется пар, отдавая выделившуюся теплоту. Конденсат возвращается в зону испарения либо самотеком, если хо­лодный конец можно разместить выше горячего, либо за счет использования специальных фитилей, по которым жидкость дви­жется под действием капиллярных сил в любом направлении, даже: против сил тяжести (как спирт в спиртовке).

Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата извест­ны давно. Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших тепловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводниковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с| фитилями в космосе. Для охлаж­дения механических, электри­ческих или радиотехнических устройств в земных условиях широко используется есте­ственная конвекция. В космосе естественной конвекции не может быть, поскольку отсут­ствует сила тяжести и нужны иные способы отвода теплоты. Тепловые трубы с фитилями могут работать и в невесомости. Они малогабаритны, не требу­ют затрат энергии на перекач­ку теплоносителей и при соот­ветствующем подборе рабочего агента работают в широком интервале температур.

Смешивающимии назы­ваются такие теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен происходят при не­посредственном контакте и смешивании теплоносителей. Поэто­му смешивающие теплообменники иногда называют контактны­ми. Наиболее важным фактором в рабочем процессе смешива­ющего теплообменного аппарата является поверхность соприкос­новения теплоносителей. В качестве примера на рис. 4 показана схема смешивающего теплообменника (деаэратора) для подо­грева воды паром при термическом удалении растворенных га­зов (воздуха).

Рис. 4. Смешивающий теплооб­менник для подогрева воды паром при термическом удалении раство­ренных газов

В качестве теплоносителей в зависи­мости от назначения производственных процессов могут приме­няться самые разнообразные газообразные, жидкие и твердые ве­щества.

С точки зрения технической и экономической целесообразнос­ти их применения теплоносители должны обладать следующими качествами.

1. Иметь достаточно большую теплоту парообразования, плот­ность и теплоемкость, малую вязкость. При таких характеристиках теплоносителей обеспечивается достаточная интенсивность теплообмена и уменьшаются их массовые и объемные количества, необходимые для заданной тепловой нагрузки теплообменного аппарата.

2. Иметь необходимую термостойкость и не оказывать небла­гоприятное воздействие на материалы аппаратуры. Теплоносите­ли должны быть химически стойкими и неагрессивными даже при достаточно длительном воздействии высоких температур. Жела­тельно, чтобы теплоносители не давали в процессе работы отло­жений на поверхность теплообмена, так как отложения понижа­ют коэффициент теплопередачи и теплопроизводительность обо­рудования.

3. Быть недорогими и достаточно доступными в отечественных ресурсах.

При выборе теплоносителей необходимо в каждом отдельном случае детально учитывать их термодинамические и физико-хи­мические свойства, а также технико-экономические показатели.

В производственных аппаратах и системах отопления и горяче­го водоснабжения наиболее широкое распространение получили следующие теплоносители.

Водяной пар как греющий теплоноситель получил боль­шое распространение благодаря следующим своим достоинствам.

1. Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации во­дяного пара позволяют получать относительно небольшие поверх­ности теплообмена.

2. Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать малое массовое количество его для передачи сравнительно больших количеств теплоты.

3. Постоянная температура конденсации при заданном давле­нии дает возможность наиболее просто поддерживать постоянный режим и регулировать процесс в аппаратах.

Наиболее часто употребляемое давление греющего пара в теп­лообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа.

Горячая вода получила большое распространение в каче­стве греющего теплоносителя, особенно в отопительных и венти­ляционных установках. Подогрев воды осуществляется в специ­альных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах (например в печах) или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Горячую воду как теплоноситель можно транс­портировать по трубопроводам на значительные расстояния (на несколько километров). При этом понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1 “С на 1 км. Достоинством воды как теплоносителя является сравнитель­но высокий коэффициент теплоотдачи. Как правило, в системах производственного и коммунального отопления используется го­рячая вода с температурой 70. 150 (200) “С.

Дымовые и топочные газы как греющая среда при­меняются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов, если физико-химические характеристики последних не изменяются при за­грязнении сажей и золой. Если по условиям эксплуатации загряз­нение обрабатываемого материала недопустимо, дымовые газы направляются в рекуперативный теплообменник, где отдают свою теплоту воздуху, а последний нагревает обрабатываемый мате­риал.

Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими материала до весьма высоких температур, которые требуются иногда по технологическим условиям производства.

Однако дымовые и топочные газы как греющая среда имеют ряд недостатков.

1. Малая плотность газов влечет за собой необходимость полу­чения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, а последнее приводит к созданию громоздких трубопроводов.

2. Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходи­мо подавать в аппараты в большом количестве с высокой темпе­ратурой. Последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупор­ные материалы для трубопроводов.

3. Из-за низкого коэффициента теплоотдачи со стороны газов теплоиспользующая аппаратура должна иметь большие поверхно­сти нагрева и поэтому получается весьма громоздкой.

Высокотемпературные теплоносители. В настоящее время в промышленности для высокотемпературного обогрева, кроме дымовых газов, применяют минеральные масла, органи­ческие соединения, расплавленные металлы и соли.

Низкотемпературные теплоносители представля­ют собой вещества, кипящие при температурах ниже 0 °С. Типич­ными представителями их являются: аммиак NH3, диоксид угле­рода С02, сернистый ангидрид S02 и большой ряд галоидных про­изводных насыщенных углеводородов, применяющихся в каче­стве хладоагентов в холодильной технике.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась – это был конец пары: “Что-то тут концом пахнет”. 8611 – | 8174 – или читать все.

188.64.174.86 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА

ВИДЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ

Теплоносители предназначены для переноса теплоты (холода) от источника к потребителю. В качестве теплоносителей используются в основном жидкости и газы (перенос теплоты твердыми телами, как правило сыпучими, встречается довольно редко и рассматриваться не будет). К теплоносителям предъявляется ряд требований. Рассмотрим основные из них.

1. Транспортабельность — способность переносить теплоту на заданные расстояния. Ограничения по этому показателю обусловлены потерями давления при движении теплоносителя и затратами мощности на его перекачку. Потери давления Ар при движении теплоносителя рассчитываются как

где — коэффициент трения; — суммарный коэффициент местных сопротивлений; / — длина трубопровода; с/ — диаметр трубопровода; р — плотность теплоносителя; XV — скорость теплоносителя.

Выразим скорость теплоносителя через его массовый расход С

и подставим в формулу (1.1). Тогда

Мощность ТУ, затрачиваемая на перекачку теплоносителя, определяется как

где г) — КПД нагнетателя (насоса, вентилятора и т.п.).

С учетом формулы (1.2) это уравнение преобразуется к виду

Это же уравнение можно представить и через объемный расход теплоносителя V:

Затраты мощности на перекачку линейно зависят от длины трубопровода /. Поэтому в тех случаях, когда потребитель находится близко к источнику, требование транспортабельности не является определяющим.

Ситуация осложняется, когда теплоноситель необходимо транспортировать на значительные расстояния. С увеличением диаметра трубопровода растут капитальные затраты, затраты на ремонт и обслуживание, а также увеличиваются потери теплоты в окружающую среду, но при этом уменьшаются затраты на перекачку теплоносителя. При уменьшении его диаметра ситуация изменяется на противоположную. Таким образом, должно существовать компромиссное решение, которое может быть найдено при проведении технико-экономических оптимизационных расчетов с целевой функцией в форме, например, удельных приведенных затрат. Приведенные ниже ориентировочные данные по предельной дальности транспортировки некоторых теплоносителей основаны на расчетах такого типа.

  • 2. Высокая теплоаккумулирующая способность. Для теплоносителей с большим значением теплоемкости срр или удельной теплоты парообразования гр единицы объема для переноса одного и того же количества теплоты потребуются меньшие расходы теплоносителя. Следовательно, будут меньше и затраты энергии на его перемещение.
  • 3. Нетоксичность. Использование токсичных, вредных для здоровья теплоносителей совершенно недопустимо в закрытых помещениях. В последнее время для холодильных установок, кондиционеров, установок, работающих при температурах ниже 0°С, предлагаются новые теплоносители, свойства которых недостаточно хорошо изучены, а в дальнейшем выявляется их токсичность. К таким теплоносителям можно отнести растворы этиленгликоля. Зачастую токсичным оказывается не сам теплоноситель, а содержащиеся в нем примеси, что требует его тщательной очистки.
  • 4. Экологичность. Этот аспект проблемы использования теплоносителей связан с тем, что их выброс наносит вред окружающей среде, среде обитания человека. Две стороны этой проблемы — образование озоновой дыры и парниковый эффект. В верхних слоях атмосферы на высотах 10. 40 км существует озоновый слой Оозон — трехатомная молекула кислорода 03), защищающий жизнь на Земле от воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. Во второй половине прошлого века над Антарктидой была обнаружена область с относительно малым содержанием озона — озоновая дыра. Ее образование связывают с попаданием в атмосферу атомов хлора и брома, содержащихся в используемых в кондиционерах, холодильной технике, а также в некоторых системах отопления фреонов, хладонов (хлорфторуглеродов, бромхлорфторуг-леродов и др.). Было принято межправительственное соглашение (Монреальский протокол), предусматривающее снижение, а затем и запрещение производства и сбыта упомянутых веществ. СССР присоединился к Монреальскому протоколу в 1988 г., а Россия пролонгировала свое участие в нем в 1991 г.

Между тем ситуация не столь однозначна. Вулканы Камчатки и Индонезии выбрасывают в атмосферу природные фреоны в значительно больших количествах, чем в результате деятельности человека. Еще одно возражение сводится к тому, что толщина озонового слоя подвержена сезонным колебаниям. К началу полярной весны содержание озона уменьшается, а затем в течение полярного лета под действием солнечного излучения возвращается к прежнему уровню. По-видимому, не лишены оснований утверждения о том, что озоносберегающая политика инспирирована владельцами крупнейших химических корпораций с целью задавить конкурентов и тем самым укрепить на рынке свое монопольное положение. В настоящее время отмечается уменьшение размеров озоновой дыры, но по каким причинам — неизвестно: то ли в результате осуществления мер, предусмотренных Монреальским протоколом, то ли по естественным, независящим от человека причинам.

Парниковый эффект состоит в том, что испускаемое нагретой Землей длинноволновое тепловое излучение поглощается содержащимся в воздухе углекислым газом С02 и фреонами, что ведет к повышению температуры атмосферы. Замеченная на протяжении последних 200 лет тенденция к увеличению содержания С02 в атмосфере экстраполируется на будущее, что может привести к глобальному потеплению, таянию ледников, затоплению океаном больших участков суши и кардинальному изменению климата. В связи с этим было принято межправительственное соглашение (Киотский протокол 1997 г.), накладывающее ограничения на выброс в атмосферу продуктов сгорания топлива. Россия планирует присоединиться к Киотскому соглашению.

Противники гипотезы парникового эффекта утверждают, что следствие подменяется причиной: не повышение концентрации С02 приводит к потеплению, а потепление приводит к увеличению содержания углекислоты в атмосфере. При потеплении растворенная в мировом океане углекислота выделятся в огромных количествах, в сотни раз превышающих поступление С02 за счет деятельности человека. Этот процесс подвержен сезонным колебаниям — в теплое время углекислота выделяется в атмосферу, при похолодании поглощается океаном. Выбросы углекислоты вулканами и при катастрофических лесных пожарах существенно превышают выбросы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека. Но повышение концентрации С02 приводит к более интенсивному поглощению его растениями. Пробы воздуха, защемленного в ледниках Антарктиды сотни лет назад, показывают, что содержание углекислого газа в атмосфере практически не изменилось. Причины изменения температуры атмосферы носят внеземной характер: изменение солнечной активности; изменение наклона земной оси; пылевые облака в космосе. Все это свидетельствует о том, что к гипотезе изменения температуры атмосферы в результате парникового эффекта следует относиться, по крайней мере, с осторожностью.

  • 5. Дешевизна и доступность. Это требование к теплоносителям, пожалуй, не нуждается в комментариях.
  • 6. Химическая инертность. Теплоноситель не должен вступать в химические реакции с конструкционными материалами теплотехнических установок, включая материал прокладок и припоя. Часто причинами химической активности теплоносителя являются содержащиеся в нем примеси, что требует его тщательной очистки. Причиной разрушения металлов (коррозии) могут быть содержащиеся в теплоносителе в растворенном состоянии кислород и углекислый газ. Коррозия может проявляться не только при работе оборудования, но и при его опорожнении, при выводе в резерв, когда поступающий в установку кислород воздуха растворяется на увлажненной поверхности металла. Чтобы избежать этого, при выводе в резерв оборудование либо предварительно подсушивают, либо заполняют теплоносителем зачастую с добавлением ингибиторов коррозии — веществ, замедляющих коррозионные процессы.
  • 7. Стабильность. Необходимо, чтобы в процессе длительной эксплуатации теплоноситель не разлагался, не изменял своих физических свойств.
  • 8. Необходимый температурный уровень. Это свойство теплоносителя связано и с его стабильностью. Кроме того, желательно, чтобы заданный температурный уровень достигался при относительно низких избыточных давлениях, мало отличающихся от атмосферного, что позволило бы упростить и удешевить конструкции оборудования, снизить капитальные и эксплуатационные расходы.
  • 9. Отсутствие отложений. Причиной образования отложений (твердой, нерастворимой в теплоносителе фракции) на поверхности теплообмена может служить либо наличие в теплоносителе примесей, либо разложение теплоносителя. Образующийся слой отложений имеет, как правило, низкий коэффициент теплопроводности, что приводит к ухудшению теплопередачи. Необходимость периодической чистки оборудования от отложений увеличивает эксплуатационные расходы.
  • 10. Невоспламеняемость. При контакте с воздухом теплоноситель, в частности разогретый, не должен воспламеняться.
  • 11. Приемлемые физические свойства. Помимо упомянутых высокой теплоемкости и удельной теплоты парообразования, желательно, чтобы теплоноситель обладал высоким коэффициентом теплопроводности, что способствовало бы повышению интенсивности теплообмена. Малое значение вязкости обеспечило бы снижение затрат мощности на перекачку теплоносителя. У всех жидких теплоносителей вязкость уменьшается с ростом температуры. Большее значение коэффициента поверхностного натяжения способствует предотвращению утечек через прокладки, уплотнения. Теплоносители с малым поверхностным натяжением значительно легче просачиваются через неплотности, что требует восполнения их количества в системе.

Идеальных теплоносителей, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям и пригодных для использования в любой ситуации, нет. Поэтому приходится искать компромиссные решения для конкретных видов теплообменного, теплоиспользующего оборудования, в максимальной степени удовлетворяющие указанным требованиям.

Вода является одним из наиболее распространенных теплоносителей. Сама природная вода дешева и доступна, но в ней содержатся примеси в виде солей жесткости (солей кальция и магния), а также растворенные газы — кислород и углекислота. Наличие солей жесткости приводит к образованию на поверхностях нагрева нерастворимых отложений. Для удаления солей жесткости воду предварительно умягчают в ионообменных установках, например №-катионитовых фильтрах. Растворенные газы вызывают кис-

лородную или углекислотную коррозию углеродистых сталей, что требует их удаления из воды, например, в процессе термической деаэрации. Обе эти операции вызывают удорожание теплоносителя. Применение коррозионно-стойких материалов или сплавов приводит, как правило, к удорожанию конструкции. Вода характеризуется относительно высокими значениями теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и поверхностного натяжения и сравнительно низкой вязкостью. При температурах выше 100°С давление воды должно превышать атмосферное, причем с увеличением температуры воды давление должно повышаться довольно значительно, что, в свою очередь, приводит к увеличению толщины стенок труб, сосудов и, как следствие, к удорожанию конструкции. Горячую воду можно транспортировать на расстояния до 20 км, причем при надежной теплоизоляции снижение температуры воды находится в пределах ГС на километр.

Водяной пар может использоваться в двух состояниях: в виде перегретого или насыщенного, точнее — влажного, пара со степенью сухости х

0,95. 0,98 (отличие х от единицы связано с капельным уносом из барабанов котлов и частичной конденсацией при транспортировке). Перегретый пар может использоваться в некоторых технологических процессах текстильной промышленности, например в зрельниках. В тех теплообменных устройствах, где важен температурный уровень теплоносителя, наличие перегрева не обязательно по двум причинам: во-первых, теплота перегрева мала по сравнению с удельной теплотой парообразования, выделяющейся при конденсации пара; во-вторых, температурный уровень теплоносителя в процессе конденсации определяется не температурой перегрева, а температурой насыщения, зависящей от давления пара. В большинстве промышленных котельных текстильных предприятий вырабатывается пар давлением 3. 5 бар.

Водяной пар может использоваться в двух формах — в виде «острого» и «глухого» пара. В первом случае пар вводится непосредственно в жидкость и ее разогрев происходит за счет теплоты, выделяющейся при конденсации пара. Во втором случае пар движется внутри труб, каналов теплообменного устройства и теплота передается жидкости за счет теплопередачи через их стенки. При обогреве «острым» паром безвозвратно теряется дорогостоящий конденсат, но зато процесс разогрева происходит значительно быстрее. При обогреве «глухим» паром конденсат сохраняется и пригоден для дальнейшего использования.

Интенсивность теплоотдачи при конденсации определяется в основном физическими свойствами конденсата (воды), поэтому

величина коэффициента теплоотдачи при этом достаточно велика. Но плотность пара невелика, что в соответствии с уравнением (1.2) обусловливает увеличение, а относительно малая вязкость — уменьшение потерь давления при транспортировке теплоносителя. Дальность транспортировки пара ограничивают расстоянием 5 км.

Водные растворы солей, кислот, щелочей используются в процессах мокрой обработки с целью придания материалам необходимых свойств. В большинстве случаев концентрация этих растворов невысока и их физические свойства мало отличаются от физических свойств воды. Но эти растворы, как правило, коррозионноагрессивны, и для проведения соответствующих процессов обработки необходимо использовать оборудование из коррозионно-стойких материалов, например из нержавеющих сталей.

Хладагенты — группа веществ с температурой затвердевания (замерзания) ниже 0°С. Как отмечалось выше, такие теплоносители используются в холодильных установках, кондиционерах и в системах, отапливаемых периодически в холодный сезон. Наиболее дешевыми из таких теплоносителей являются водные растворы хлористых натрия и кальция. Температура замерзания этих растворов зависит от их концентрации. Минимальная температура замерзания первого из них составляет -2 ГС при массовой доле 23%, а второго -55°С при массовой доле 29,9%. Плотность растворов и вязкость выше, а теплоемкость и теплопроводность ниже, чем у воды, и с ростом концентрации это различие увеличивается. Следует учитывать, что эти теплоносители коррозионно-агрессивны и могут образовывать отложения на теплообменных поверхностях.

Водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля (антифризы) могут использоваться в холодильной технике и для обогрева помещений, которые в холодный период года отапливаются лишь периодически. Они имеют достаточно низкую температуру затвердевания, при достижении которой их удельный объем не увеличивается, поэтому разгерметизации системы теплоснабжения не происходит, как в случае ее заполнения водой. Этиленгликоль упоминался выше в связи с его токсичностью, но он более дешев, чем нетоксичный пропиленгликоль. Теплоемкость рассматриваемых антифризов несколько ниже, чем у воды, а вязкость в несколько раз выше. Рассматриваемые антифризы содержат добавки (присадки), замедляющие процессы коррозии и ограничивающие вспенивание теплоносителя.

Группа низкотемпературных фторсодержащих теплоносителей — фреонов рассматривалась выше в связи с их экологическими характеристиками. Эти теплоносители применяются в холодильной технике, в системах кондиционирования воздуха. Их теплоемкость и коэффициент теплопроводности в несколько раз, а удельная теплота парообразования на десятичный порядок ниже, чем у воды. Вязкость близка по величине к вязкости воды.

Минеральные и синтетические масла применяются в системах охлаждения электротехнических установок, для смазки вращающихся (трущихся) частей машин и оборудования. В масла добавляют противокоррозионные и противоокислительные присадки. Масла используют при температурах, не превышающих 200°С, чтобы избежать как разложения, изменяющего их физические свойства, так и образования отложений на поверхностях нагрева. Масла обладают довольно высокой вязкостью, резко возрастающей при понижении температуры. Значения коэффициентов теплоотдачи для масел примерно в 10 раз меньше, чем для воды.

Воздух в качестве теплоносителя используется в текстильной промышленности в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в процессах сушки и термообработки материалов. Низкие значения теплоемкости и коэффициента теплопроводности обусловливают низкую интенсивность теплоотдачи. Поэтому в теплообменных устройствах для интенсификации процесса теплопередачи приходится прибегать к оребрению теплообменных поверхностей со стороны воздуха. При охлаждении воздуха до температур ниже точки росы выделяющаяся на поверхности теплообмена влага способствует развитию кислородной коррозии. Влажный воздух является одним из важнейших теплоносителей в текстильной промышленности, и его свойства и характеристики будут рассмотрены отдельно в следующем параграфе.

Дымовые (топочные) газы могут использоваться в процессах сушки либо термообработки текстильных материалов. Для этой цели применяются продукты сгорания газов, не содержащие взвешенных частиц. При этом располагающиеся в помещениях установки не должны работать под наддувом (т.е. при небольшом избыточном давлении), который характерен при подаче дымовых газов внутрь аппарата, так как в этом случае дымовые газы через неплотности оборудования попадают внутрь помещения. Обычно процесс сгорания газа организуют внутри установки и образующиеся дымовые газы удаляют из нее вытяжными вентиляторами, которые создают небольшое разрежение внутри нее и тем самым предотвращают попадание продуктов сгорания в помещение. Экологические характеристики образующегося при горении углекислого газа обсуждались выше. Теплофизические параметры дымовых газов близки к соответствующим свойствам воздуха.

Замечание. Необходимые для расчета теплообменников значения физических параметров широкого круга теплоносителей можно найти в [1. 7].

Теплоносители

Физические свойства теплоносителя: диапазон температур, теплоемкость, вязкость. Санитарно-гигиенические, экономические, архитектурно-строительные, производственно-монтажные теплоносители. Состояния влажного воздуха. Требования к хлад- и криоагентам.

РубрикаФизика и энергетика
Видконтрольная работа
Языкрусский
Дата добавления11.11.2013
Размер файла617,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для передачи тепловой энергии от ее источника к потребителю используются различные вещества – теплоносители.

Теплоносители – это движущаяся среда, применяемая для передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Теплоносители служат для охлаждения, сушки, термической обработки и других процессов в системах теплоснабжения, отопления, вентиляции, в технологических тепловых и др. устройствах.

Главной задачей энергетики является выбор правильного теплоносителя. На промышленном предприятии для каждого потребителя теплоты и в целом выбор теплоносителя производится в соответствии с требованиями санитарных норм и правил, действующих в данном производстве и для данного теплоносителя.

Наиболее распространённые теплоносители: топочные (дымовые) газы, вода, водяной пар, жидкие металлы (калий, натрий, ртуть), фреоны.

1. Физические свойства теплоносителя

Не существует теплоносителя, способного перекрыть весь диапазон от 0 до, скажем, 3000 Кельвина. У каждого вида теплоносителя есть свой рабочий диапазон, есть диапазон, в котором теплоноситель может находиться небольшое время без существенной деградации. Однако существуют специально разработанные терможидкости с расширенным рабочим диапазоном, который недостижим для воды, силиконовых масел и других классических теплоносителей.

Определяет количество теплоносителя, которое необходимо прокачивать в единицу времени для переноса заданного количества тепла.

Ограничивает применение некоторых теплоносителей, заставляет добавлять ингибиторы коррозии (классический пример – гликолевые антифризы для автомобилей), накладывает ограничения на материал конструкции.

Косвенно влияет на скорость прокачки, на потери в трубопроводах, на коэффициент теплопередачи в теплообменниках. Может изменяться в очень широких пределах при изменении температуры.

Накладывает ограничения на конструкцию и материалы циркуляционного насоса и прочих механизмов, соприкасающихся с теплоносителем.

1.1 Требования к теплоносителям

Требования к теплоносителям можно разделить на пять групп:

санитарно-гигиенические: поддержание необходимой температуры в помещении при допустимой подвижности воздуха, ограничение температуры на поверхности отопительных приборов;

экономические: оптимальные капитальные вложения, экономный расход тепловой энергии при эксплуатации;

архитектурно-строительные: соответствие интерьеру помещения, компактность, увязка со строительными конструкциями, согласованность со сроком строительства здания;

производственно-монтажные: сокращение трудовых затрат и ручного труда при монтаже;

эксплуатационные: эффективность действия в течение всего периода работы, надежность (безотказность, долговечность, ремонтопригодность) и техническое совершенство, безопасность и бесшумность действия.

Теплоносителем для отопления может быть любая жидкая или газообразная среда, обладающая теплоаккумулирующей способностью, а также подвижная и дешевая. Теплоноситель должен соответствовать требованиям, предъявляемым к отопительным установкам. Для отопления зданий используют теплоносители: воду, водяной пар, атмосферный воздух и газы.

2. Классификация теплоносителей

Теплоносителя классифицируются по назначению, агрегатному состоянию, диапазону рабочих температур и давлений.

По назначению выделяют теплоносители: греющий, охлаждающий (хладоноситель), промежуточные тепло – и хладоносители, хладагент, сушильный агент и др.

По агрегатному состоянию различают однофазные и многофазные (чаще двухфазные) теплоносители:

– к однофазным теплоносителям относятся низкотемпературная плазма (пламя), газы, не конденсирующие пары, смечи газов, не кипящие и неиспаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси, растворы, твердые материалы (чаще сыпучие);

– к двухфазным и многофазным теплоносителям относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары, плавящиеся и затвердевающие газы), капельные жидкости с температурой кипения при атмосферном давлении выше 200 0С;

– к среднетемпературным относятся водяной пар с твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли, эмульсии, суспензии, шламы, пасты и прочие сложные системы;

По диапазону рабочих температур выделяют высоко-, средне-, низкотемпературные и криогенные теплоносители:

– к высокотемпературным относятся газообразные теплоносители с температурой газов 1500 0С и выше (дымовые и топочные температурой до 650 0С, вода с температурой до 375 0С и воздух с температурой до 100 0С;

– к криогенным относятся сжиженные газы и их пары, область их применения лежит ниже -150 0С.

Наиболее распространенными из них являются вода, водяной пар, воздух, дымовые и топочные газы.

3. Характеристика теплоносителей

Выбор теплоносителя для каждого конкретного потребителя теплоты и предприятия в целом производится, прежде всего, в соответствии с требованиями санитарных и противопожарных норм и правил, действующих в данном производстве и для данного теплоносителя. Большое значение также имеет изучение режимов теплопотребления для рассматриваемой отрасли промышленности, особенно ее теплоемких производств.

На промышленных предприятиях широко используются вода и водяной пар. Эти теплоносители позволяют получать высокие коэффициенты теплоотдачи в теплообменных аппаратах, они дешевы и могут транспортироваться на значительные расстояния, теряя по пути относительно мало теплоты. Возможный радиус действия водяной системы оценивается в 30-60 км, а паровой – 6-15 км Выбор одного из двух теплоносителей определяется конкретными условиями их применения с учетом достоинств и недостатков каждого из них. К достоинствам водяного пара можно отнести уменьшение энтальпии при конденсации, благодаря этому для передачи значительного количества тепла достаточно небольших весовых количеств пара, постоянство температуры конденсации при заданном давлении облегчает поддержание постоянства режима и регулирование процесса в аппарате. Основным недостатком водяного пара является неизбежное и значительное повышение давления с ростом температуры. Например, при давлении 0,981 105 Па температура насыщенного пара составляет 99,1 0С, а температура насыщенного пара 309,5 0С может быть получена при давлении 98,1 105 Па. Поэтому паровой обогрев применяется для процессов с температурой 60 150 0С, при более высоких температурах теплообменные аппараты должны изготавливаться из толстостенных труб, с что делает их дорогими и громоздкими.

1 кг пара с давлением 0,5 МПа и температурой 150 0С может отдать потребителю в 6 раз больше теплоты, чем 1 кг горячей воды при той же температуре. Однако объем пара при этих параметрах почти в 400 раз больше объема воды. Для экономичной работы всей системы теплоснабжения, объединяющий источник и потребитель теплоты, желателен сбор и возврат образующегося из пара конденсата. Так, конденсат, образующийся в подогревателях нефтепродуктов и растворов красителей, часто в источник теплоты не возвращается, поскольку при выходе из строя нагревательных трубок теплообменника загрязняется и становится непригодным для питания котлов.

При использовании воды необходимость сбора и возврата конденсата источнику теплоты (например, ТЭЦ) отпадает.

Вода является основным рабочим телом в парогенераторах ТЭС, в системах вентиляции и водяного отопления. Для потребления она приготавливается в специальных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах, (например, в печах) или водонагревательных установках. Горячую воду, как теплоноситель, можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния. Понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1 0С на 1 км. Достоинством воды, как теплоносителя является сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи. Однако горячая вода из тепловых сетей в производственных теплообменниках используется редко, так как в течение отопительного периода температура ее непостоянна и изменяется от 70 до 130 0С, а в летнее время тепловые сети не работают.

В качестве теплоносителя в ряде производств используется воздух. В связи с этим знание свойств воздуха имеет большое значение. Сухим называют воздух, в котором не содержится водяной пар. Влажный воздух представляет собой механическую смесь сухого воздуха и паров воды. Процессы с влажным воздухом рассчитываются по уравнениям состояния идеальных газов (вследствие малых парциальных давлений пары воды считают идеальным газом) в условиях термодинамического равновесия (температура паров воды, сухого воздуха и влажного воздуха принимается одинаковой).

В зависимости от соотношения парциальных давлений паров воды рП и давлением насыщенных паров воды рS можно рассмотреть следующие состояния влажного воздуха.

Рис. 3.1 – Состояние влажного воздуха по диаграмме: К – критическая точка: а) – ненасыщенный (перегретый) влажный воздух; т. 1 – состояние паров воды при температуре tB давлении паров pП pS; т. 3/ – состояние насыщения при температуре tB; pS – давление насыщения при температуре tB; tS – температура насыщения при давлении pП.

Ненасыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды рП меньше давления насыщения рS при данной температуре, рП tS. Пары воды находятся в перегретом состоянии относительно температуры насыщения.

Насыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды равно давлению насыщения при температуре воздуха, рП = рS. Температура влажного воздуха равна температуре насыщения воды при данном давлении, tB = tS.

Пересыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды рП больше давления насыщения рS при данной температуре рП> рS. Температура влажного воздуха меньше температуры насыщения воды при давлении рП, tB

Промышленные теплоносители: виды, свойства, сферы применения

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Самый распространенный промышленный теплоноситель — насыщенный водяной пар, обладающий рядом замечательных свойств. Прежде всего это высокая аккумулирующая способность теплоты и высокие коэффициенты теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, легко поддерживать постоянство температуры теплоносителя в аппарате. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температуре до 180. 190 °С и давлении до 12-105 Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.

Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды как теплоносителя следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие, но значительно меньшие, чем у конденсирующего пара, значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам этого теплоносителя относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

Повышение температуры воды выше 100 °С связано с резким увеличением давления, поэтому перегретая вода за редким исключением в качестве теплоносителя не используется.

Топочные газы широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000. 1100 °С при атмосферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов как теплоносителей относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.

Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) — один из распространенных промежуточных теплоносителей для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой (до 800 °С) температуре, например обжаривания кофе и какао-бобов. Масло можно нагревать до более высоких температур, как отмечалось выше, в топках печей или с помощью электрических нагревателей. Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но обладают относительно низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, образуя на нагреваемой поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.

Выгодно отличаются от масел высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Наиболее распространенным ВОТ является дифенильная смесь (Даутерм А), состоящая из 26 % дифенила и 74 % дифенилового эфира. К достоинствам дифе-нильной смеси относятся ее высокая термическая стойкость и возможность нагрева до 250 °С при атмосферном давлении. При более высоких температурах нагрева используют насыщенный пар дифенильной смеси при сравнительно небольшом давлении.

Дифенильная смесь нетоксична. Кроме дифенильной смеси в промышленности применяются другие ВОТ, например кремний-органические термостойкие жидкости с низкой температурой плавления.

В качестве высококипящих неорганических теплоносителей применяют расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.). Однако в пищевой промышленности они не применяются из-за их агрессивности по отношению к конструкционным материалам.

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.

Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар будем называть испарением.

В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т. д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.

Количество теплоты, необходимой для выпаривания,

где т — масса выпаренного растворителя, кг; г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как г =Др).

При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.

Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50. 60 °С. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, — это прежде всего теплообменный аппарат. За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата (рис. 14), отличающей его от любого теплообменника, является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденси-руемые газы — через патрубок 9. Раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образующийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара, подаваемого в нагревательную камеру.

Интенсивность выпаривания обусловлена интенсивностью теплопередачи и главным образом интенсивностью теплоотдачи от стенок труб к раствору. Для жидкости интенсивность теплоотдачи зависит от скорости ее движения вдоль стенки. Поэтому необходимо поддерживать интенсивную циркуляцию вязкого раствора в трубах. Для того чтобы этого добиться, в центре нагревательной камеры следует установить циркуляционную трубу 3 большого диаметра. В этой трубе раствор нагревается меньше, чем в нагревательных трубках малого диаметра 6. Следовательно, плотность раствора в циркуляционной трубе 3 выше, чем в нагревательных трубках 6. Поэтому по нагревательным трубкам раствор поднимается вверх, а по циркуляционной трубе опускается вниз. Интенсивное кипение сопровождается выделением большого числа пузырьков пара, которые, вырываясь из жидкости, увлекают за собой капли раствора. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 — устройство, расположенное в верхней части аппарата. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой.

Рис. 14. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора

Выпаривание в однокорпусной установке. Уравнение материального баланса выпаривания в однокорпусной установке имеет вид

Материальный баланс выпаривания можно представить по-другому. Используя то обстоятельство, что в процессе выпаривания количество содержащихся в растворе сухих веществ остается неизменным, можем записать

Выпаривание в многокорпусной установке. Образующийся при выпаривании в одном аппарате вторичный пар обладает достаточным запасом энергии и может быть использован в качестве греющего пара для второго аппарата, в котором выпаривание ведется при более низком давлении (Pi > р2) и более низкой температуре (t1 > t2). Количество аппаратов, объединенных в многокорпусной установке, может быть достаточно большим, но давление и температура кипения в каждом последующем аппарате должны быть всегда меньше, чем в предыдущем.

Раствор в установку может подаваться в первый корпус, обогреваемый греющим паром, а упаренный раствор отводится из последнего корпуса (рис. 15). Такая схема работы многокорпусной установки называется прямоточной. Эта схема обладает радом преимуществ: во-первых, температура кипения раствора понижается от корпуса к корпусу вместе с увеличением концентрации, что благоприятно сказывается на качестве продукта; во-вторых, выпариваемый раствор перетекает из корпуса в корпус, используя разность давления между корпусами, и, наконец, раствор приходит в последующий корпус перегретым, следовательно, наблюдается явление самоиспарения. К недостаткам этой схемы следует отнести увеличение вязкости раствора с повышением концентрации и с уменьшением температуры, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи.

При противоточной схеме работы многокорпусной выпарной установки греющий пар подается в первый корпус, а раствор — в последний. В этом случае для перекачивания раствора требуются дополнительные насосы и промежуточные подогреватели

раствора. Кроме того, наибольшему нагреву подвергается концентрированный раствор, что хотя и приводит к некоторому выравниванию вязкости, а следовательно, и к выравниванию коэффициентов теплопередачи, но часто отрицательно сказывается на качестве раствора.

При выпаривании легкокристаллизуюшихся растворов, для того чтобы избежать закупорки трубопроводов, используют схемы с параллельным питанием корпусов, когда исходный раствор подается независимо в каждый корпус, а упаренный раствор выводится независимо из каждого корпуса.

Удельный расход греющего пара для многокорпусной установки тем меньше, чем больше корпусов,

Рис. 15. Схема многокорпусной выпарной установки

Как будет показано ниже, имеется целый ряд причин, препятствующих на практике увеличению числа корпусов более 5.

Для прямоточной многокорпусной установки характерно, что вторичный пар предыдущего корпуса не может быть полностью использован для обогрева последующего. Поэтому целесообразно отобрать часть вторичного пара, который называется в этом случае экстрапаром, и направить его для других нужд производства. Таким образом, многокорпусная выпарная установка кроме повышения концентрации раствора обеспечивает предприятие греющим паром и горячей водой (конденсатом). Подобная схема работы многокорпусной выпарной установки на современных сахарных заводах может служить примером утилизации теплоты на предприятии.

Необходимость снижения давления от первого корпуса к последнему часто приводит к тому, что один или несколько последних корпусов работают при давлении ниже атмосферного — вакууме. Это уменьшает энергетический потенциал вторичного пара последнего корпуса, поэтому он направляется на конденсацию.

Факторы, влияющие на интенсивность выпаривания. Как в любом процессе теплообмена, интенсивность выпаривания зависит от интенсивности теплопередачи

Для однокорпусного аппарата движущая сила At определяется как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора:

Температура кипения раствора зависит от давления. Но давление внутри кипящей жидкости изменяется по высоте аппарата, т. е. гидростатическое давление жидкости приводит к тому, что температура кипения в нижних слоях жидкости выше, чем в верхних, а образующийся вторичный пар имеет температуру, соответствующую давлению в соковом пространстве, т. е. ниже температуры кипения жидкости в среднем слое l кср,

На практике гидростатические температурные потери составляют 1—3 С в зависимости от конструкции аппарата.

Чтобы уменьшить влияние гидростатической депрессии, на практике стараются изготавливать аппараты с небольшой высотой столба жидкости, т. е. с большим диаметром.

Интенсивность выпаривания уменьшается также из-за физико-химической температурной депрессии ДГф х — разности между температурой кипения раствора и чистого растворителя. Эта разность зависит от давления и концентрации раствора и может достигать значительных величин. Для нормального давления разность температур кипения 60%-го сахарного раствора и воды составляет 3 °С, для 25%-го водного раствора NaCl — 7 °С, а для 50%-го раствора NaOH — 42,2 °С.

Физико-химическая и гидростатическая температурная депрессия наблюдается в каждом выпарном аппарате, в том числе и в аппаратах многокорпусной установки.

Для многокорпусной выпарной установки общая разность температур определяется как разность между температурой греющего пара, поступающего в первый корпус, и температурой кипения в последнем корпусе:

Для уменьшения гидравлических температурных потерь уменьшают длину паропроводов, располагая корпуса рядом.

Анализ работы многокорпусной установки показал, что для уменьшения удельного расхода греющего пара целесообразно увеличивать число корпусов установки. С увеличением же числа корпусов пропорционально возрастает и стоимость установки. Однако беспредельное увеличение числа корпусов приводит к уменьшению движущей силы, приходящейся на каждый корпус.

Прежде всего температура кипения в первом корпусе не может быть выше допустимой для данного раствора. Поэтому увеличение давления и температуры греющего пара не ведет к увеличению А/пол для второго и последующих корпусов. С другой стороны, разрежение в последнем корпусе зависит от режима работы конденсатора и вакуум-насоса и также ограниченно. Поэтому ограниченна сама общая разность температур . А так как с увеличением числа корпусов возрастают потери температуры, то t пол еще более ограниченна. Поэтому на практике используют установки из 4—5 корпусов.

Многокорпусные выпарные установки можно компоновать из одинаковых аппаратов с равной поверхностью теплообмена F, но в этом случае полезная разность температур между корпусами распределяется неравномерно. Многокорпусную установку с аппаратами, каждый из которых имеет разную, но наименьшую в данных условиях поверхность нагрева, рассчитывают по другому принципу. В этом случае полезная разность температур для каждого корпуса одинакова. Подробно с расчетом многокорпусных установок можно познакомиться в специальной литературе.

Контрольные вопросы

1. Какие способы переноса теплоты вам известны?

2. Какой закон описывает перенос теплоты в твердом теле?

3. На какие стадии можно разделить процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому, если они разделены стенкой?

4. От каких факторов зависит величина коэффициента теплопередачи?

5. От чего зависит величина коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке?

6. От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке?

7. Какой теплоноситель массой 1 кг способен отдать наибольшее количество теплоты?

8. Как оценивается энергетическая эффективность процесса выпаривания?

9. В чем преимущества многокорпусной выпарной установки?

10. Как рассчитывается общая и полезная разность температур?

Герметики: виды, свойства, сферы применения

Герметики представляют собой вулканизируемые композиции на основе полимеров (полисульфидных или жидких кремнийорганических каучуков), предназначенные для герметизации швов и стыков между различными типами поверхностей.

Выделяют следующие основные характеристики герметиков:

  • Прочность
  • Устойчивость к деформациям
  • Адгезия к материалам
  • Усадка при отвержении (для отверждаемых герметиков)
  • Эластичность
  • Срок эксплуатации в помещении и во внешней среде

Качественные герметики должны сохранять физико-химические и физико-механические свойства на всем протяжении эксплуатации, иметь хорошую адгезию к материалу, из которого изготовлена герметизируемая конструкция, не выделять токсичных веществ.

Классификации герметиков

По готовности к применению герметики делятся на:

  • Однокомпонентные (пригодные к непосредственному использованию)
  • Двухкомпонентные и многокомпонентные (требующие точного и тщательного смешивания компонентов перед применением)

Однокомпонентные герметизирующие материалы, в свою очередь, подразделяются по химическому составу основы.

В нижеследующей таблице 1 представлены виды герметиков, их состав, сферы применения, преимущества и недостатки.

Таблица 1. Виды герметиков

Среди существующих систем отопления пользуется большой популярностью в наших широтах оборудование с жидким теплоносителем. Циркулирующая жидкость влияет на функциональность целой группы устройств, объединённых в одну схему.

Изначально использовалась обычная водопроводная вода. Спустя какое-то время её стали обогащать различными присадками для предотвращения размерзания труб при аварийном отключении. До сих пор ещё не выведена формула идеального теплоносителя, поэтому при выборе стоит учитывать преимущества и недостатки каждого вида, а также технические возможности котла.

Посмотрите видео о теплоносителях для отопления

Функции теплоносителей для системы отопления

В системе отопления на теплоноситель возлагаются следующие задачи: жидкость должна за короткий промежуток времени циркулировать по контуру, отдавая тепло трубопроводу и радиаторам, при этом тепловые потери составлять минимальный показатель. Свойства и вязкость жидкости оказывают воздействие на КПД котла и работоспособность отдельных узлов (циркуляционного насоса, запорной арматуры, датчиков). Недопустимо применение токсичных веществ, так как это может причинить вред здоровью домочадцев в процессе эксплуатации оборудования. Химический состав теплоносителя не должен провоцировать образование коррозии и преждевременное изнашивание трубопровода.

Критерии выбора теплоносителя для системы отопления

Выбирая тот или иной теплоноситель для системы отопления, следует учитывать следующие факторы:

• не все виды теплоносителей подходят определённому котлу, поэтому стоит предварительно ознакомиться с инструкцией по эксплуатации оборудования;

• важную роль играет материал, из которого изготовлены трубы и основные узлы системы, по ним проходит жидкость;

• выбирать лучше продукт, поддающийся регулировке температурного режима;

• в состав не должны входить токсичные вещества;

• выпускаются некоторые виды теплоносителя, которые можно использовать только в промышленных зданиях, использовать его в жилом доме категорически запрещается;

• если трубопровод изготовлен из оцинкованного металла, заливать антифриз нельзя, изменится химический состав жидкости;

• высокая теплоёмкость, теплопроводность при низкой вязкости обеспечат эффективную передачу тепла;

• длительный срок эксплуатации.

По физическим свойствам и химическому составу более подходящими являются жидкости: вода и антифриз.

Виды теплоносителей для системы отопления

• Самым универсальным и доступным теплоносителем считается вода. Дистиллированная жидкость не оставляет накипи и осадка, под воздействием температуры не меняет своих свойств и качеств. Многолетний опыт показал, что её можно использовать даже в двухконтурных котлах. Вода не причиняет вреда здоровью людей, а по стоимости является максимально доступной. Срок эксплуатации не ограничивается каким-либо периодом.

Наряду с преимущественными характеристиками отмечаются и недостатки: способность замерзать при низких температурах, что приводит к разморозке системы и разрыву труб. А также губительное влияние состава на металл, ведущий к образованию коррозии. Обычная водопроводная жидкость имеет большое содержание солей, которые при нагреве кристаллизуются. Чтобы не навредить основным узлам системы, рекомендуется заливать дистиллированную воду.

• Антифризы на основе этиленгликоля обогащаются присадками, обеспечивающими теплоноситель дополнительной функциональностью: устойчивостью к образованию коррозии, анти вспениванием и др. Такая продукция изготавливается специально для отопительных систем, использовать её для автомобилей нельзя.

Антифриз относится к жидкостям, которые имеют низкий показатель замерзания (от -30° до -60°С). Преимущественные качества теплоносителя имеют большой минус – наличие в составе токсичных веществ. Поэтому при выборе продукции с этиленгликолем следует принимать меры безопасности для предотвращения попадания паров внутрь организма. В двухконтурных котлах используется антифриз на основе пропиленгликоля, который не представляет опасности для людей. Стоимость теплоносителей данного вида отличается высокой стоимостью и относительной недолговечностью (замена осуществляется раз в 5 лет).

При сравнении двух видов жидкости (воды и антифриза) большим преимуществом обладает дистиллированная вода. Однако в регионах с суровыми климатическими условиями её применение опасно, ведь замерзшая жидкость имеет свойство расширяться, а значит повреждать трубы. В этом случае без антифриза не обойтись, ведь его свойства могут предотвратить серьёзные повреждения системы. Что касается заполнения контура обычной водой, то строгого запрета нет, но потребуется периодически проводить очистку поверхности узлов от накипи от солей. Подобные очистные мероприятия стоят определённых денег, без специальных реагентов не обойтись. Да и сам процесс относится к трудоёмкому.

Читайте также:  Обзор телескопических погрузчиков JCB: модификации, конструкция, технические характеристики, фото и видео
Ссылка на основную публикацию